业余无线电频率计数器。方案、说明

业余无线电频率计数器。无线电电子电气工程百科全书

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我们向读者介绍了 AT89C52-24JC 微控制器上的业余频率计和两个附件，使用这些附件，除了测量频率和脉冲持续时间外，还可以测量组件的电容和电感。

在过去的几年里，期刊文献中出现了一些专门描述基于单片机的业余射频计的出版物。这种设计的优点是显而易见的：所使用的微电路的数量减少了，因此尺寸和功耗也减少了，该装置易于组装和调整，甚至新手无线电爱好者也可以重复使用。此外，仅通过改变控制程序就可以实现现代化并增加服务功能。

该频率计适用于业余无线电实践。它允许您测量：

信号频率；
信号周期；
信号频率的偏差（偏离）；
脉冲持续时间。

频率计还可用作无线电接收设备的数字秤。使用附加附件，频率计可以测量电容器的电容以及扼流圈和线圈的电感。

主要技术特点

测量频率范围，Hz......1...50 10⁶
频率测量模式下的测量时间（最大信号频率，MHz），s......0,1和1（50）10（25）
频率范围内的周期测量，Hz......1...50 10⁶
频偏范围，Hz......±50 10⁶
测量脉冲的持续时间，µs ...... 0,1 ... 10000
电容测量限值，uF......10-5...500
电感测量限值，H......1 10^-6... 2
输入电阻，MΩ......1
输入信号电平（有效值），V......0,25...10
电源电压，V ...... 8 ... 15
消耗电流，不超过，mA ..... 100
尺寸，毫米......80x58x15

频率计（其原理图如图1所示）由信号比较器、工作模式开关、测量周期同步器、脉冲计数器、单片机、键盘、液晶显示器和电源稳定器组成。

（点击放大）

输入级基于 Analog Devices AD8561AR (DA1) 比较器。该比较器的典型延迟约为 7 ns。

输入信号馈送到 XP1 连接器，并馈送到 R1VD1VD2 保护电路和 DA1 比较器。电阻器 R4、R5 形成比较器的迟滞，以消除信号缓慢变化时出现的颤振。在比较器的输出端，信号由一对反相逻辑电平表示，与频率计逻辑电路的电平一致。

操作模式切换是在DD2数字多路复用器上进行的。开关根据频率计所选的操作模式切换信号。同步器（元件 DD1.2、DD1.3、DD4）生成测量周期开始和结束的信号。脉冲计数器（DD3）在测量脉冲宽度时对输入信号或占空比脉冲的数量进行计数。

ATMEL AT5C89-52JC 的微控制器 (DD24) 控制设备的所有元件：操作模式开关、指示灯、键盘。微控制器的 10 MHz 时钟频率由石英谐振器 BQ1 设置。设置和检查频率计时，使用工业频率计通过电容器 C6 将微控制器的时钟频率调整为恰好 10 MHz 的值。

来自微控制器石英谐振器的信号（信号 BF）也用于测量脉冲持续时间。在这种情况下，填充脉冲的重复周期是100ns。因此，脉冲持续时间的测量误差也不超过该值。

微控制器使用内部程序存储器进行操作（DD35 的引脚 5 连接到 +5V 总线）。当频率计打开时，微控制器通过电容器 C5 传输的电压降设置为初始状态。

键盘（按钮SB1、SB2）用于选择频率计的工作模式和参数。 SB1（“模式”）按钮选择操作模式，SB2（“参数”）按钮选择模式参数。例如，使用 SB1 按钮设置“频率测量”模式，并使用 SB2 按钮选择“测量时间”参数的值 - 10 秒。选择操作模式或参数后约 1 秒，频率计自动切换到测量。

使用两行 1602 个字符的字母数字 LCD 模块 ITM16ASR 作为指示器。第一行显示频率计的工作模式和参数，第二行显示测量值。微调电阻R8可用于调节指示图像的对比度。该指示灯连接到XS3连接器并直接安装在板上。通过附加电缆连接的指示器可以根据用户的要求放置在不同的位置。

电源电压稳定单元采用DA2集成稳压器。来自外部的电源电压被提供给 XP2 连接器。电容器C15、C16——输入滤波器； C13、C14——稳定器输出滤波器。电容器C7-C12是隔直电容器；它们安装在微电路附近。

频率计采用国产KR1533系列微电路（进口模拟-74ALS）。采用最大频率为74 MHz的4040NS50芯片作为脉冲计数器，限制了频率测量范围。

考虑频率计在测量输入信号频率的模式下的操作。

来自比较器（电路 F1）的信号被提供给操作模式开关（DD4 的引脚 2）。微控制器设置逻辑信号电平 A = 0 和 B = 1，然后发出 START 信号（逻辑 1），启动测量过程。触发DD4.1开关并允许信号传递到开关的输出（DD7的引脚2）和脉冲计数器的输入（DD10的引脚3）。

微控制器产生一个时间间隔，例如持续1s（TW信号）。在此期间，允许输入信号从比较器输出传输到输入信号脉冲计数器。计数器溢出脉冲DD3由微控制器的定时器/计数器1计数。微控制器维持指定的时间间隔后，比较器锁存其输出（引脚 5 DAI - LATCH），并且输入信号脉冲的计数停止。

微控制器设置信号A=1、B=1的逻辑电平，并使用“计数”脉冲（信号CP）从脉冲计数器（DD3）读取累积数。微控制器使用以下公式计算选定时间间隔内脉冲计数器中的脉冲总数（这是信号频率）

X 1048576+ Y 4096 + Z,

其中 X 是单片机定时器/计数器 8 的高 1 位的内容；

Y为单片机定时器/计数器8低1位的内容；

Z - 脉冲计数器 (DD3) 的内容。

如果输入频率非常高，则微控制器的计数器/定时器1可能会溢出。在这种情况下，微控制器将数字 268435456 添加到前面公式获得的结果中。

让我们以测量正极性脉冲的持续时间为例来考虑频率计的操作。

比较器的输出信号（正脉冲的信号F1或负脉冲的信号F2）被发送至工作模式开关（DD2）。微控制器设置信号A-0、B-0的逻辑电平。然后发出用于将触发器DD4.1设置为单一状态的信号(信号WR/CM)。此后，发出对应于测量开始的信号START（log.1）。微控制器正在等待触发切换DD4.2。触发器 DD4.1 允许填充脉冲从元件 DD1.1 传递到开关的输出（引脚 7 DD2）。

随着输入信号脉冲的开始，填充脉冲（信号 BF）通过 DD10 元件和开关馈送到脉冲计数器（引脚 3 DD1.1）的输入端。计数器溢出脉冲DD3由微控制器的定时器/计数器1计数。输入信号脉冲结束后，触发器DD4.1切换到相反状态，填充脉冲的计数停止。在 END 信号处，微控制器设置信号 A = 1、B = 1，并使用计数脉冲（信号 CP）从脉冲计数器 (DD3) 读取累加值。微控制器通过以下公式计算测量脉冲的持续时间

(X 1048576 + Y 4096 + Z)x100，其中

X - 第一个微控制器的定时器/计数器的高级 8 位的内容；

Y - 第一个微控制器的定时器/计数器的低 8 位的内容；

Z——脉冲计数器DD3的内容；

100 - 填充脉冲的重复周期，等于 100 ns。

因此，当测量脉冲持续时间时，时间门就是脉冲本身。

为了确定负脉冲的持续时间，微控制器将设置逻辑信号电平 A = 1、B = 0。

该软件是用 C 语言为 MCS-51 系列微控制器编写的。

从结构上看，频率计采用双面印刷电路板制成（图 2），除指示器外，所有元件（图 3）均安装在该电路板上。

（点击放大）

在图中。 2 个圆形焊盘（有条件地显示为无孔）通过金属化过孔连接到电路板背面的相应焊盘。在印刷电路板的业余制造中，金属化被细导体取代。

业余无线电频率计数器

可拆卸连接器 - PLS-2、PBS-14 以及用于安装 DD44 的 PLCC-5 插座。

设置频率计数器

频率计组装完成后，需要进行三个调整操作。

1、频率计上电后，通过调节调谐电阻R8来调节指示灯对比度。

2. 要设置微控制器石英振荡器的频率，需要接入频率调节电容器。因此，当频率计电源关闭时，从板上拆下指示灯模块，然后按住SB1按钮，打开频率计电源。在标准频率计输入端与 BF 点（图 3）之间的电容耦合最小的情况下，通过调节电容器 C6，将发生器频率精确设置为 10 MHz。

3. 输入级中的比较器调整是在不向频率计连接器施加信号的情况下执行的。接通设备电源后，必须先将电阻R6的滑块拨至最左位置，然后慢慢向右旋转滑块，直至指示灯出现“NO SIGNAL”。

下面是频率计数器的操作模式的描述。

数字刻度模式

“模式”按钮设置“数字刻度”模式。 “PARAMETER”按钮选择模式参数 - IF 路径的频率。该频率可以从以下值中选择： +455 kHz； -455 kHz； +465 kHz； -465 kHz； +500 kHz； -500 kHz。

数字值Ff前面的符号表示频率计数器执行的操作。如果符号为“+”，则将频率Fpch 与测量频率相加，如果符号为“-”，则将频率Fpch 减去。该模式下的频率测量时间为0,1s。

工作模式下频率计指示灯的视图：

测量输入信号的频率

“MODE”按钮设置“FREQUENCY”模式，“PARAMETER”按钮选择模式参数——测量时间。以秒为单位的参数可以取以下值之一：0,1s、1s； 10 秒。

松开按钮约1秒后，频率计将自动切换到测量模式。选择新参数会中断当前测量周期并使用新参数值开始新的测量周期。频率单位（Hz、kHz、MHz）根据输入信号的频率自动确定。

工作模式下频率计指示器的视图：输入信号频率高达 1 kHz

输入信号频率高达 1 MHz

在等于或高于 1 MHz 的输入信号频率下，

这里和下面的符号“>”表示频率计处于脉冲计数模式。也就是说，当前出现在指示器上的测量结果是指先前的测量周期。

测量输入信号的周期

使用“模式”按钮选择“信号周期”模式。此模式没有参数。松开按钮约1秒后，频率计将自动切换到测量模式。

输入信号的周期T是其频率F的倒数。因此，频率计首先以1s的测量时间测量输入信号的频率，经过计算后将结果显示在显示器上。

工作模式下频率计指示灯的视图：

频率偏差测量

使用“模式”按钮选择“偏差”模式。此模式没有参数。松开按钮约1秒后，频率计将自动切换到测量模式。

偏差（或偏离）定义为当前频率与此模式下测量开始时的频率之间的差异。在这种情况下，频率的漂移（偏差）可以是正的也可以是负的。因此，偏差值以符号显示在指示器上。要开始新的频率漂移跟踪，您需要单击“PARAMETER”按钮。

工作模式下频率计指示灯的视图：

测量正极性的脉冲持续时间

使用“模式”按钮选择“脉冲”模式。使用“PARAMETER”按钮选择模式参数 - 脉冲极性。对于正脉冲，其持续时间指定为“P”，脉冲之间的间隔指定为“0”。松开按钮约1秒后，频率计将自动切换到测量模式。

工作模式下频率计指示灯的视图：

电容测量

如果您有测量周期的频率计附件，则可以测量 10 pF 到数百微法范围内的任何电容器的电容。其方案如图所示。 4.

业余无线电频率计数器

运算放大器 DA1 上组装的多谐振荡器产生周期与电容 Cx 成比例的脉冲。这是由表达式描述的

Тх= 2CхRэ-lп[(R4+R4')/(R4-R4')].

这里，根据电路，R4'的值对应于发动机和下输出之间的调谐电阻的一部分的电阻。如果安装电阻器 R4 滑块，使得 ln[(R4+R4')/(R4-R4')] - 0,5，则 Tx = CхRe，并且在 Re = 1 MΩ 时，10 pF 的电容值对应于生成脉冲的周期等于 10 μs，在 Re = 10 kΩ 时，1 μF 的值对应于 10000 μs 的持续时间。

该附件包含一个参考电容器 Se (3000...10000 pF)，它允许您校准附件并测量小于 10 pF 的电容。建议选择参考电容的精度，误差不超过0,5...1%。

前缀的校准包括使用调谐电阻器 R2 (10 kOhm) 设置频率计上的参考电容器的值。频率计中的 Te 应等于 1 μs (Fe = 1 MHz)。

由于拾取的原因，最低有效数字可能会定期更改其值。但对于大多数情况，电容测量的精度是相当令人满意的。

要测量电容，请使用“MODE”按钮选择“电容”模式。该模式没有选项。

松开按钮约1秒后，频率计将自动切换到测量模式。

工作模式下频率计指示灯的视图：

电感测量

如果您有附件（其示意图如图5所示），您可以测量1 μH...2 H范围内的电感。

业余无线电频率计数器

测量原理是基于谐波振荡的周期与附件中发电机振荡电路的电感和电容的比值：

T2 = LC/25330，其中 T 以秒为单位，L 以 µH 为单位，C 以 pF 为单位。

因此，如果我们使用等于 25330 pF 的环路电容，则电感的数值可根据以下关系计算：

L \u2d T1 \u2d XNUMX / FXNUMX，其中 F 是振荡频率。

要使用带有附件的频率计测量电感，请使用“MODE”按钮选择“INDUCTIBILITY”模式。松开按钮约1秒后，频率计将自动切换到测量模式。读数的数值对应于以 µH 为单位的电感。

工作模式下频率计指示灯的视图：

该附件由测量发生器（VT1-VT5）组成，其频率由电容器 C1、C2 的电容（总容量约为 25330 pF）和连接到线圈输入端子的电感决定。要生成 TTL 电平信号，需要使用施密特触发器（VT6、VT7）。振荡幅度由二极管 VD1、VD2 和晶体管 VT4、VT5 上的电路稳定，该电路通过晶体管 VT3 上的射极跟随器连接到发电机。

当电容 C1、C2 的指定值和测量的电感等于 1 μH 时，生成频率将为 1 MHz。电感为 2 H - 700 Hz。为了覆盖这个范围，特别是在高频区域，需要选择基极电流传输系数至少为1的晶体管VT2、VT150。电容器C1、C2 - K73-17或类似的小型TKE。总的来说，它们的容量与所示容量的差异不应超过 1 ... 2%。

测量范围的宽度还受到 VT5 晶体管或其基极电流传输系数的影响。使用增益为 311...30 的 GT50 晶体管时获得最佳结果。

如果满足指定的要求，前缀通常不需要配置。

微控制器软件

用于微控制器 AT89C52-24JC 的适配器

作者：S. Zorin、N. Koroleva、Izhevsk

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